Датчики и системы, № 2, 2018

Sensors and Systems, N 2, 2018

С О Д Е Р Ж А Н И Е и А Н Н О Т А Ц И И

C O N T E N T S AND A B S T R A C T S

НАЦИОНАЛЬНОМУ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМУ ЯДЕРНОМУ УНИВЕРСИТЕТУ “МИФИ” – 75 ЛЕТ

NATIONAL RESEARCH NUCLEAR UNIVERSITY MEPHI – 75

Головин А. В., Васильев В. К., Иванов И. А., Беляков В. В., Громов Е. А., Малкин Е. К., Матуско М. А., Першенков В. С.

ДВУХПОЛЯРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ … 4

Аннотация: В обзоре рассмотрены конструкции спектрометров ионной подвижности, позволяющие условно одновременно обнаруживать как положительные, так и отрицательные ионы. Проведен обзор существующих серийных спектрометров ионной подвижности, обладающих возможностью одновременного детектирования веществ в обеих спектрометрических модах. Проанализированы пути реализации двухполярного спектрометра ионной подвижности.

Ключевые слова: спектрометрия ионной подвижности, обнаружение следов взрывчатых веществ, двухполярный режим, ионы, конструкция.

Golovin A. V., Vasilyev V. K., Ivanov I. A., Belyakov V. V., Gromov E. A., Malkin E. K., Matusko M. A., Pershenkov V. S.

BIPOLAR ION MOBILITY SPECTROMETER … 4

Abstract: The design and constructions of ion mobility spectrometers conditionally allowing simultaneous detection of both positive and negative ions was reviewed. Also the existing serial ion mobility spectrometers with simultaneous detection of compounds in both MS mode was analuzed. The evolution ways of bipolar ion mobility spectrometry systems realization was concluded.

Keywords: ion mobility spectrometry, detection of explosives, trace detection, bipolar mode, ions, design.

Малкин Е. К., Матуско М. А., Васильев В. К. и др. Иванов И. А., Громов Е. А., Беляков В. В., Головин А. В., Першенков В. С.

МОДЕРНИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЯМИ И ГАЗОВЫМИ НАСОСАМИ СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ … 10

Аннотация: Проведены исследования и оптимизация алгоритмов управления нагревателями дрейфовой области и газовыми насосами спектрометра ионной подвижности, что приводит к увеличению точности и эффективности детектирования веществ.

Ключевые слова: спектрометрия ионной подвижности, двухполярный режим, температура дрейфовой области, газовые насосы, алгоритм стабилизации.

Malkin E. K., Matusko M. A., Vasilyev V. K., Ivanov I. A., Gromov E. A., Belyakov V. V., Golovin A. V., Pershenkov V. S.

ION MOBILITY SPECTROMETER HEATERS AND GAS CONTROL SYSTEM MODERNIZATION … 10

Abstract: New algorithms was developed to control the drift region heaters and the gas pumps of ion mobility spectrometer. Efficiency of substances detection was increased. Control algorithm block heaters can improve the accuracy of temperature stabilization in terms of the significant events of the time constants of thermal circuits and high heat capacity elements of the drift region. Improved control algorithm of a block of gas pumps minimizes the duration of the transition process when changing the predetermined level of the engine speed over a wide range. The study and optimization of control algorithms for heaters of the drift region and the gas pumps ion mobility spectrometry.

Keywords: ion mobility spectrometry, detection of explosives, trace detection, bipolar mode, ions, design.

Андрианов А. В., Шагурин И. И.

МЕТОДИКА ГИБРИДНОЙ ВЕРИФИКАЦИИ СБИС “СИСТЕМА-НА-КРИСТАЛЛЕ” … 14

Аннотация: Предложена методика гибридной верификации СБИС, состоящая в разработке и исполнении тестовых сценариев с использованием гибридного окружения, в котором одновременно с моделированием СБИС работает программа, готовящая тестовое воздействие и передающая его процессу моделирования через интерфейс vpi (verilog procedural interface). Данная методика позволяет упростить и ускорить процедуру верификации путем использования для написания тестов высокоуровневых языков программирования (например, lua) и эффективного применения инструментов пошаговой и интерактивной отладки.

Ключевые слова: СнК, верификация, lua, тестирование.

Andrianov A. V., Shagurin I. I.

HYBRID “SYSTEM-ON-CHIP” VERIFICATION METHODOLOGY … 14

Abstract: The article introduces a methodology of verification that involves using a hybrid environment. The simulation process is run in parallel with a separate program that prepares the verification stimulus and feeds into the simulation via VPI (Verilog procedural interface). This methodology allows to simplify and speed up verification by using high-level scripting languages (e. g. lua) for system-level tests. This also allows developers to use commonly available interactive debugging facilities when developing tests.

Keywords: SoC, verification, lua, testing.

Бутузов В. А., Бочаров Ю. И., Шунков В. Е., Кусь О. Н., Прокопьев В. Ю.

НОВЫЙ МЕТОД УЛУЧШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ … 19

Аннотация: Проанализирован эффект ухудшения динамических характеристик КМОП АЦП последовательного приближения из-за влияния сопротивления ключа на выходе источника опорного напряжения. Предложен метод уменьшения его влияния на характеристики АЦП. Метод использован при создании 10-разрядного АЦП с частотой выборки 1 МГц и потребляемой мощностью 0,4 мВт.

Ключевые слова: аналого-цифровой преобразователь, последовательное приближение, динамические характеристики, КМОП-технология, топология.

Butuzov V. A., Bocharov Yu. I., Shunkov V. E., Kus O. N., Prokopyev V. Y.

A NEW METHOD FOR IMPROVING THE DYNAMIC PERFORMANCE OF SAR ADC … 19

Abstract: The paper presents the description and analysis of phenomenon, relating with successive approximation CMOS ADC dynamic performance degradation due to the influence of impedance of the switch at the output of the reference source. The paper demonstrates the method to mitigate its impact on the performance on switched-capacitor based ADCs. The method has been used to design a 10-bit ADC that features 1 MSPS throughput and 0.4 mW power consumption.

Keywords: analog-to-digital converter, ADC, successive approximation, dynamic performance, CMOS technology, layout.

Лебедев А. А., Старков Е. Ю., Панков И. С., Ломака А. С., Волков В. М.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ … 24

Аннотация: Рассматривается системный подход к проектированию прецизионных операционных усилителей с повышенными точностными и радиационными характеристиками в сравнении с аналогами, которые достигнуты в результате использования динамических токовых каскадов.

Ключевые слова: динамический токовый каскад, операционный усилитель, отражатель тока, тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ).

Lebedev A. A., Starkov E. Y., Pankov I. S., Lomaka A. S., Volkov V. M.

DESIGN OF HIGH-PRECISION OPERATIONAL AMPLIFIERS FOR MEASUREMENT SYSTEMS … 24

Abstract: Deals with system approach to the design of precision operational amplifiers with enhanced accuracy and radiation characteristics in comparison with analogues, which are achieved through the use of dynamic current cascades.

Keywords: dynamic current cascade, operational amplifier, the reflector current, heavy charged particles (HCP).

Барбашов В. М., Трушкин Н. С.

ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ БИС ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАДИАЦИИ … 28

Аннотация: Рассмотрены методы моделирования функциональных отказов цифровых БИС при воздействии радиации, основанные на топологических вероятностных моделях с учетом нечеткой вероятности и зон неопределенности состояния логических элементов. В этом случае реальный характер радиационного поведения сложной электронной системы определяется конкретным соотношением радиационно-чувствительных параметров ее элементов и учетом влияния их статистического разброса.

Ключевые слова: топологические вероятностные модели, нечеткие вероятности, зоны неопределенности.

Barbashov V. M., Trushkin N. S.

FEATURES OF USE OF TOPOLOGICAL PROBABILITY MODELS ENCORE FOR ENSURING INFORMATION RELIABILITY AT RADIATION IMPACT … 28

Abstract: The methods of functional failures modeling in digital LSI under the influence of radiation are considered. The methods based on topological probabilistic models taking into account the fuzzy probability and areas of state uncertainty of logic elements. In this case, the real nature of the radiation behavior of complex electronic systems is determined by the specific ratio of the radiation-sensitive parameters of its elements taking into account the impact of their statistical dispersion.

Keywords: topological model of probability, fuzzy probability, area of uncertainty.

Бакеренков А. С., Подлепецкий Б. И., Фелицын В. А., Першенков В. С., Родин А. С.

ЦИФРОВОЙ ДАТЧИК ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ НА ОСНОВЕ КОММЕРЧЕСКОГО МОП-ТРАНЗИСТОРА … 31

Аннотация: На основе экспериментальных исследований дана оценка возможности применения коммерческих МОП-транзисторов в качестве чувствительных элементов цифровых датчиков поглощенной дозы ионизирующих излучений.

Ключевые слова: МОП-транзистор, поглощенная доза, цифровой датчик, имитационные модели.

Bakerenkov A. S., Podlepetsky B. I., Felitsyn V. A., Pershenkov V. S., Rodin A S.

DIGITAL TOTAL IONIZING DOSE SENSOR BASED OF THE COMMERCIAL MOSFET … 31

Abstract: Based on experimental studies the estimation of the possibility of using commercial MOSFETs as sensitive elements in digital sensors of the total dose of ionizing radiations was provided.

Keywords: MOSFET, total ionizing dose, digital sensor, circuit simulation.

Подлепецкий Б. И., Бакеренков А. С., Фелицын В. А., Родин А. С.

МДП-ТРАНЗИСТОР КАК ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ … 36

Аннотация: Экспериментально исследованы рабочие характеристики серийного МДП-транзистора как чувствительного элемента датчика дозы ионизирующего излучения при различных электрических и температурных режимах. Предложены модели дозовых зависимостей выходных сигналов дозиметрических схем на основе МДПТ и сформулированы рекомендации по их практическому применению.

Ключевые слова: МДП-транзистор, ионизирующее излучение, дозиметрический режим, функции преобразования, модель.

Podlepetsky B. I., Bakerenkov A. S., Felitsyn V. A., Rodin A. S.

MISFET-SENSOR OF IONIZING RADIATION DOSE … 36

Abstract: The operating characteristics of commercial MISFET as a sensing element of the ionizing radiation dose have been experimentally investigated at different electrical modes and temperature conditions. There were proposed models of the MISFET-based circuits’ output signals as the doses’ functions, and recommendations for their practical application were formulated.

Keywords: MISFET-transistor, ionizing radiation, dosimeter’ mode, conversion function, model.

Бакеренков А. С., Родин А. С., Першенков В. С., Фелицын В. А.

ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ КАК ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ … 43

Аннотация: Приведены оценки влияния отжига на темп радиационной деградации электрических параметров биполярных транзисторов, которые могут использоваться в качестве чувствительных элементов датчиков поглощенной дозы.

Ключевые слова: послерадиационный отжиг, темп радиационной деградации, биполярный транзистор, датчик поглощенной дозы.

Bakerenkov A. S., Rodin A. S., Pershenkov V. S., Felitsyn V. A.

THE IMPACT OF ANNEALING ON THE CHARACTERISTICS OF BIPOLAR TRANSISTORS AS SENSITIVE ELEMENTS OF TOTAL DOSE SENSORS … 43

Abstract: The impact of annealing on the total dose rate of radiation degradation of the electrical parameters of the bipolar transistors, which can be used as sensitive elements of total dose sensors, was estimated.

Keywords: post-radiation annealing, radiation degradation rate, bipolar transistor, total dose sensor.

Шуренков В. В.

МЕХАНИЗМЫ ДЕГРАДАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИСТЕМ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА … 47

Аннотация: Рассмотрены экспериментальные методы исследования воздействия импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ) на полупроводниковые электронные системы. Анализируются физические эффекты деградации полупроводниковых систем под действием импульсного ЭМИ.

Ключевые слова: электромагнитный импульс, источники электромагнитного излучения, электронные компоненты, мощность излучения, механизмы связи, деградация, сбой.

Shurenkov V. V.

DEGRADATION EFFECTS OF SEMICONDUCTOR SYSTEMS UNDER ELECTROMAGNETIC PULSE … 47

Abstract: Experimental methods and results for studying the effects of pulsed electromagnetic radiation (EMP) on the semiconductor electronic system are discussed. The physical effects of degradation of semiconductor systems under EMPare analyzed.

Keyword: electromagnetic pulse, radiation sources, electronic components, radiated power, coupling mechanisms, degradation, failure.

Петухов К. А., Попов В. Д.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В МОП-ТРАНЗИСТОРЕ С Р-КАНАЛОМ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ … 53

Аннотация: Представлены результаты исследования процесса поверхностного дефектообразования в МОП транзисторах с р-каналом при воздействии гамма-излучения с низкой интенсивностью. Облучение транзисторов проводилось как в пассивном, так и в активном режиме. Предложена качественная модель эффекта образования поверхностных состояний.

Ключевые слова: МОП-транзистор, р-канал, гамма-излучение, низкая мощность дозы.

Petukhov K. A., Popov V. D.

INVESTIGATION OF SURFACE DEFECT FORMATION IN MOS TRANSISTOR WITH P-CHANNEL DURING LONG-TERM EXPOSURE TO GAMMA-RADIATION … 53

Abstract: The results of studying the process of surface defect formation in MOS transistors with a p-channel under the action of gamma radiation with low intensity are presented. The irradiation of the transistors was carried out both in the passive and in the active mode. A qualitative model of the effect of charge exchange of surface states is proposed.

Keywords: MOS transistor, p-channel, gamma-radiation, low dose rate.

Краснюк А. А., Марьина Е. В., Имаметдинов Э. Ф.

МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОЗАТВОРНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР КАК ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ … 56

Разработана и исследована референсная модель для анализа SGMOS (split gate MOS) транзисторов. Показано, что применение расщепленного затвора вполне эффективно в модуляционно-легированных структурах класса PDCFET. Снижение крутизны, быстродействия и изменение ВАХ транзисторных структур не носит катастрофический характере вплоть до температур 200…250 °C.

Ключевые слова: периодически легированный канал, расщепленный затвор, МДП транзисторные структуры, датчики.

Krasnyuk A. A., Mar`ina E. V., Imametdinov E. F.

SIMULATION OF MULTIGATE MOSFET STRUCTURES AS ELEMENTS OF ELECTRONIC SENSORS … 56

Abstract: The results of the research of the reference model for SGMOS (split gate MOS) are presented. It is shown that the use of a split gate is quite effective in modulation-doped structures with the periodically doped channel. Decrease in the steepness, speed, and change in the I-V characteristic of transistor structures is not catastrophic, up to temperatures of 200…250 °C.

Keywords: periodically doped channel, split gate, MOS structures, sensors.

Лапшинский В. А.

МИКРОСХЕМЫ “УМНОЙ” АССОЦИАТИВНОЙ ПАМЯТИ: ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ … 60

Аннотация: Рассмотрены состояние, тенденции развития и области применения “умных” интегральных схем АЗУ на основе инновационной элементной базы и технологий. Приведена классификация интегральных микро- и наносхем АЗУ. Отмечено, что современная и ожидаемая степень интеграции позволяет повышать интеллектуальность таких интегральных схем.

Ключевые слова: “умные” интегральные микро- и наносхемы ассоциативной памяти, бинарные и троичные схемы памяти с адресацией по содержимому.

Lapshinsky V. A.

SMART ASSOCIATIVE MEMORY CHIPS: TRENDS, CLASSIFICATION AND APPLICATIONS … 60

Abstract: The state, development trends and application areas of “smart” associative memory chips based on the emerging element base and technologies are considered. The classification of micro- and nanoassociative memory chips is given. Noted that the modern and expected degree of integration allows increasing the intellectuality of such integrated circuits.

Keywords: smart micro- and nanoassociative memory chips, content addressable binary and ternary memory (BCAM and TCAM) chips.

Симаков А. Б., Онищенко Е. М., Мирошниченко В. П., Водохлебов И. Н., Гурковский Б. В., Симаков М. А.

МОБИЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО МОНИТОРИНГА АЛЬФА-РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ МЕСТНОСТИ … 66

Аннотация: Представлен макет мобильного инструментального комплекса “Альфа МИК” для дистанционного обнаружения альфа-радиоактивных загрязнений на неподготовленной местности в полевых условиях. Действие прибора основано на регистрации аэроионов, возникающих в воздухе на следах альфа-частиц. Испытан алгоритм автоматического управления прибором, позволяющий учитывать изменение условий измерения. Разработан интерфейс для наглядного представления результатов измерений.

Ключевые слова: газоразрядный счетчик, аэроионы, Бк/см², чувствительность, воздушный поток, уровень загрязнения.

Simakov A. B., Onishchenko E. M., Miroshnichenko V. P., Vodokhlebov I. N., Gurkovskiy B. V., Simakov Michail A.

MOVABLE HARD-SOFTWARE COMPLEX FOR FAST CONTROL OF ALPHA-RADIOACTIVE POLLUTION … 66

Abstract: The prototype of the mobile indicator of alpha radioactive pollution was developed and tested. The device operation is based on the detection of ions that occurs at the alpha particles tracks in the air. The algorithm for automatic control device, which consider the change of the measurement conditions was tested. Interface for visual exposure of measurement results was designed.

Keywords: gas discharge counter, air ions, Bq/cm², sensitivity, air flow, level of pollution.